EP1068010A1 - Katalysator zur dehydrierung von ethylbenzol zu styrol - Google Patents

Katalysator zur dehydrierung von ethylbenzol zu styrol

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EP1068010A1
EP1068010A1 EP99917905A EP99917905A EP1068010A1 EP 1068010 A1 EP1068010 A1 EP 1068010A1 EP 99917905 A EP99917905 A EP 99917905A EP 99917905 A EP99917905 A EP 99917905A EP 1068010 A1 EP1068010 A1 EP 1068010A1
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EP
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catalyst
catalysts
compound
calculated
cerium
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Otto Hofstadt
Wolfgang Jürgen PÖPEL
Hermann Petersen
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BASF SE
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    • Y02P20/52—Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts

Definitions

  • EP-A 0 181 999 describes a dehydrogenation analyzer which, in addition to Fe0 3 , K 2 0 and MgO, can additionally contain chromium and / or manganese, a compound of cerium, molybdenum or tungsten and CaO.
  • the catalysts mentioned in the examples are calcined at temperatures in the range from 510 to 540 ° C. It is pointed out that the activity of the catalysts, in particular of the selective catalysts, is considerably reduced at higher calcining temperatures.
  • a low calcination temperature (540 ° C) is also in
  • EP-A 0,177,832 described for magnesium-containing catalysts based on Fe0 and K 2 0th
  • DE-A 28 15 812 describes dehydrogenation catalysts which consist of mixtures of iron oxide, potassium oxide, vanadium oxide and optionally chromium oxide. Small amounts of oxygen-containing compounds of aluminum, cadium, copper, magnesium, manganese, nickel, uranium, zinc or a rare earth and their mixtures are intended to improve the selectivity and / or conversion rate to unsaturated hydrocarbons from saturated compounds.
  • DE 38 21 431 describes a catalyst containing K 2 Fe 22 0 3 , which is calcined at 900 ° C. Only iron oxide and a potassium compound are used in the production. The calcination product is then washed and filtered, the product obtained being lamellar plates with a diameter of 0.5 to 5 ⁇ m.
  • the object of the invention is to provide a catalyst with improved activity and selectivity in the dehydrogenation of ethylbenzene to styrene.
  • the catalyst should also have high mechanical and chemical stability and good storage stability.
  • a catalyst was found containing iron oxide, potassium oxide, a magnesite compound and a cerium compound, the catalyst having one or more Fe / K phases K 2 0 * Fe 2 0 3 l: n, with a natural number n from 1 to 11 , in particular one of the phases K 2 0-Fe 2 0 3 1: 4 (K 2 Fe 8 0 ⁇ 3 ), K 2 OFe 2 0 3 1: 5 (K 2 Fe ⁇ 0 O ⁇ 6 ) and / or K 2 0-Fe 2 0 3 1:11 ( ⁇ 2 Fe 22 0 3 ).
  • Structural properties which are special compared to the known catalysts include large pore diameters with high mechanical stability, a high internal surface area, a low liter weight and the clear formation of Fe / K phases K 2 0-Fe 2 0 3 1: 4 and / or which can be detected by X-ray analysis K 2 0-Fe 2 0 3 1:11.
  • the best known magnesium-containing catalysts do not contain any Fe / K phases due to the lower calcining temperature, with the exception of small amounts ⁇ 2 Fe 2 0 4 , but only Fe 2 0 3 (hematite) as an iron component.
  • the Fe / K phases K 2 0-Fe 2 0 3 1: 4 and K 2 0-Fe 2 0 3 1:11 apparently only form from 750 ° C.
  • the Fe / K phases can be determined by X-ray analysis.
  • the grid plane spacings and relative intensities of the Fe / K phases K 2 O.Fe 2 0 3 1: 5 (K 2 Fe ⁇ 0 Oi6) and / or K 2 O.Fe 2 0 3 1:11 (K 2 Fe 22 0 34 ) are summarized in Table 3. Due to the incorporation of magnesium, cerium and possibly other promoter and additional metals in the Fe / K phases, the reflections can be shifted slightly compared to the pure Fe / K phases.
  • Preferred catalysts according to the invention have reflections for network plane spacings in the following areas:
  • catalysts have a 1st reflex in the range from 11.70 ⁇ to 11.90 ⁇ , in particular 11.74 ⁇ to 11.87 ⁇ and a second reflex in the range from 5.85 ⁇ to 5.95 ⁇ , in particular 5.89 ⁇ to 5, 93 ⁇ on. 3
  • Preferred catalysts contain 50-90% by weight iron, calculated as Fe 2 0 3 , 1 to 40% by weight potassium, calculated as K0, 5 to 20% by weight cerium, calculated as Ce 2 0 3 and 0, 1 to 10% by weight of magnesium, calculated as MgO.
  • the catalyst can furthermore contain one or more other customary promoters for increasing selectivity, activity or stability in customary concentrations.
  • Compounds of elements selected from the group Be, Ca, Sr, Ba, Sc, Ti, Zr, Hf, V, Ta, Mo, W, Mn, Tc, Re, Ru, Os, Co, Rh, Ir are suitable as promoters , Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, AI, Ga, In, TI, Ge, Sn, Pb, Bi, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy , Ho, Er, Tm, Yb and Lu, which can be used individually or in mixtures.
  • Preferred additional promoters are compounds selected from the group Ca, V, Cr, Mo, W, Ti, Mn, Co and Al. Particularly preferred additional promoters are Ca, V, Cr, Mo and W.
  • the additional promoters are preferably added in amounts of 0 to 15% by weight, in particular 1 to 10% by weight, calculated as the most stable oxides.
  • Potassium can be partially or completely replaced by equivalent amounts of other alkali metals e.g. Cesium or sodium.
  • the catalyst according to the invention preferably contains iron, potassium, cerium and magnesium and, as further elements, tungsten, molybdenum and calcium. Catalysts containing vanadium are also favorable.
  • vanadium further increases the selectivity of the catalysts. Therefore the addition of vanadium (0.1-10% by weight) is very advantageous.
  • Elements such as Cr, Al, Ti, Co, Li, Zn are usually contained in a minor amount in the catalysts according to the invention, e.g. 0 to 2, in particular 0 to 1% by weight, in each case as oxide.
  • the catalysts preferably contain no chromium.
  • a ready-to-use catalyst according to the invention contains:
  • cerium calculated as Ce 2 0 3 0.1-10
  • magnesium calculated as MgO
  • vanadium calculated as V 2 0 5 , with the proviso that at least 0.1% by weight, in particular 1% by weight, of tungsten or molybdenum is present.
  • Potassium carbonate, potassium hydroxide or another heat-decomposable potassium compound such as potassium oxalate is preferably used as the potassium compound.
  • a potassium compound can also be used which contains the intended promoter (i.e. as a corresponding anion or as a double salt).
  • V0 5 ammonium vanadate or alkali metal vanadates are preferably used as the vanadium compound.
  • Mg (0H) 2 , MgO, MgC0 3 or magnesium hydroxycarbonate is preferably used as the magnesium compound.
  • Ce 2 0 3 cerium oxalate or cerium carbonate is preferably used as the cerium compound.
  • Mo0 3 , H 2 Mo0 4 or ammonium molybdate is preferably used as the molybdenum compound.
  • W0 3 , H 2 W0 4 or ammonium tungsten are preferably used as the tungsten compound.
  • AlOOH or Al 2 0 3 is preferably used as the aluminum compound.
  • CaO, CaC0 3 or Ca (0H) 2 is preferably used as the calcium compound.
  • the catalyst according to the invention is predominantly produced from -Fe 2 0 3 instead of the FeOOH preferably used in EP-A-0195252 and contains an amount of cerium of up to 20% higher than the recommendation given there of 3-6% by weight Ce 2 0 3 , calculated as Ce 2 0 3 .
  • the increased amount of cerium used in the new catalysts leads to an improvement in activity and long-term stability.
  • catalysts which have been obtained using ⁇ -Fe 2 0 3 (hematite) and have a particle size of more than 0.3 ⁇ m and which have a corresponding pore diameter.
  • the catalysts preferably have an average pore diameter of over 0.35 ⁇ , in particular over 0.40 ⁇ . Pure iron oxide hydroxide (FeOOH) is less suitable for catalyst production. Studies on corresponding comparative catalysts show 5 that they have neither the desired large pore diameters nor satisfactory mechanical stability.
  • mixtures of -Fe 2 0 3 and ⁇ -FeOOH can be used as the iron component, provided that at least 50% by weight of ⁇ -Fe 2 0 3 are used in the production .
  • Mixtures of 60 to 90% by weight of ⁇ -Fe 2 0 3 and 10 to 40% by weight of ⁇ -FeOOH are preferred.
  • a catalyst produced from a mixture of, for example, 70% by weight of Fe 2 O 3 and 30% by weight of FeOOH by the process according to the invention has somewhat smaller pore radii on average and a slightly lower mechanical stability, but a significantly higher internal surface area than the catalyst made only from Fe 2 0 3 . The result is a further improvement in activity.
  • the invention also relates to the process for the dehydrogenation of alkyl aromatic or aliphatic hydrocarbons to corresponding alkenes using the catalysts according to the invention.
  • the dehydrogenation of ethylbenzene to styrene is particularly preferred.
  • the catalysts can also advantageously be used for the dehydrogenation of 1,1-diphenylethane (DPEA) to 1,1-diphenylethene (DPE).
  • DPE is sought as a raw material for styrene copolymers with increased temperature resistance. 6
  • molded articles can also be produced by tableting the dry spray powder or a mixture in a tablet press.
  • tableting aids e.g. graphite, various stearates
  • Strands of different geometries are possible as shaped bodies, preferably solid strands with a diameter of e.g. 3-6 mm.
  • Hollow strands or so-called rib or star strands i.e. strands with outer longitudinal grooves or ribs or star-shaped cross section
  • ring tablets with an inner hole e.g. Hollow strands or so-called rib or star strands (i.e. strands with outer longitudinal grooves or ribs or star-shaped cross section) or ring tablets with an inner hole.
  • the deformability can be influenced with auxiliaries such as stearates, walocel, starch or the like.
  • Drying can be carried out continuously or discontinuously.
  • Belt dryers are suitable for continuous drying and tray ovens for discontinuous drying.
  • systems suitable for large-scale drying processes can be used, such as belt dryers or tray ovens.
  • Usual drying temperatures are 80-140 ° C. Higher drying temperatures can lead to undesired bursting of the moldings due to the drying speed being too high. Lower drying temperatures are possible, but extend the drying time. 7
  • the moldings are first heated to 250-350 ° C ("tempering") for about 2 h, then to 750-1000 ° C for 1-2 h (“calcination").
  • the annealing and calcining can be carried out in one operation, e.g. be carried out in a rotary tube with different heating zones. The temperature is then gradually increased from e.g. 250 increased to 800-900 ° C. After exiting the rotary tube, the moldings are allowed to cool. Fragments and fine dust are separated by sieving and discarded.
  • 900 g -Fe 2 0 3 which was in the form of needles with a length of 0.4 ⁇ m and a "length / width" ratio of approx. 5, were added with stirring to a suspension which also contained 200 g K 2 CO 3 , 200 g of water-containing cerium carbonate (composition of the formula Ce 2 (C0 3 ) 3 -xH 2 0 with a cerium content of 40% by weight), 40 g of CaC0 3 , 40 g of W0 3 and 60 g of basic magnesium carbonate (composition of the formula 4MgC0 3 -Mg (OH) 2 -4H 2 0 corresponding to 50 g MgC0 3 ) in 2000 ml of water.
  • the suspension was spray dried.
  • the spray powder was processed in a kneader with the addition of about 120 ml of water to a pasty mass within 30 minutes. It was not necessary to influence the deformability with aids.
  • the mass was shaped into cylindrical extrudates of 3 mm in diameter in an extrusion press, cut into pieces approx. 1 cm long, dried in a forced air oven at 100 ° C. for about 3 hours and tempered in a calcining oven for 2 hours at 300 ° C. and then calcined at 760 ° C.
  • Example 8 Fe 2 0 3 was partially or completely substituted by the corresponding amount of ⁇ -FeOOH (needle-shaped iron oxide yellow with a needle length of approximately 0.6 ⁇ m and a length / diameter ratio of approximately 6) .
  • ⁇ -FeOOH needle-shaped iron oxide yellow with a needle length of approximately 0.6 ⁇ m and a length / diameter ratio of approximately 6
  • Example 2 Example 3
  • Example 4 Example 5
  • Example 6 Example 7 K 2 Fe ⁇ 0 Oi6 K 2 Fc 22 ⁇ 34
  • Example 2 Example 3
  • Example 4 Example 5
  • Example 6 Example 7 K 2 Fe ⁇ o0 16 K 2 Fe 22 ⁇ 3
  • the catalysts are tested in a test facility 5 which is modeled on the technically operated isothermal process.
  • 200 ml of full-strand catalyst are placed in a reaction tube with an inner diameter of 30 mm.
  • an hourly amount of 183 ml of water and 168 ml of ethylbenzene is transferred in vapor form over a period of 10 days.
  • the catalyst temperature 0 is set to 600 ° C.
  • the conversion (U), selectivity (S) and composition of the reaction mixture are determined by examining the reaction products (liquid and exhaust gas).
  • the catalysts 1-8 according to the invention consistently deliver higher conversions than the comparative catalysts VI and V3 at the same temperature. The use of these catalysts is therefore on
  • Comparative catalyst V2 achieves comparable conversions at the same temperature as the catalysts according to the invention. However, the cutting hardness is mechanical
  • Catalyst V4 has disadvantages compared to the catalysts of the invention both in terms of activity (lower conversions at the same temperature) and in terms of selectivity.
  • the pore volumes were determined according to DIN standard 66133.
  • the contact angle of the mercury when determining the 20 mean pore diameter was 140 ° (DIN 66133).

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Abstract

Verfahren zur Herstellung des Katalysators, enthaltend Eisenoxid, Kaliumoxid, eine Magnesiumverbindung und eine Cerverbindung, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator eine oder mehrere Fe/K-Phasen K2O.Fe2O3 1:n, mit einer natürlichen Zahl n von 1 bis 11, aufweist, sowie Verfahren zur Dehydrierung von Ethylbenzol zu Styrol.

Description

Katalysator zur Dehydrierung von Ethylbenzol zu Styrol
Beschreibung
Die EP-A 0 181 999 beschreibt einen Dehydrier atalysator der neben Fe03, K20 und MgO zusätzlich Chrom- und/oder Mangan, eine Verbindung des Cer, Molybdäns oder Wolframs und CaO enthalten kann. Die in den Beispielen genannten Katalysatoren werden bei Temperaturen im Bereich von 510 bis 540°C calciniert. Es wird darauf hingewiesen, daß die Aktivität der Katalysatoren, insbesondere der selektiven Katalysatoren bei höheren Calcinier- temperaturen erheblich herabgesetzt wird.
Eine niedere Calciniertemperatur (540°C) wird auch in
EP-A 0 177 832 für magnesiumhaltige Katalysatoren auf Basis von Fe0 und K20 beschrieben.
Die DE-A 28 15 812 beschreibt Dehydrierungskatalysatoren, die aus Gemischen von Eisenoxid, Kaliumoxid, Vanadiumoxid und gegebenenfalls Chromoxid bestehen. Durch geringe Mengen von Sauerstoff enthaltenden Verbindungen von Aluminium, Cad ium, Kupfer, Magnesium, Mangan, Nickel, Uran, Zink oder einer seltenen Erde und deren Gemische soll die Selektivität und/oder Umwandlungsrate zu ungesättigten Kohlenwasserstoffen aus gesättigten Verbindungen verbessert werden.
Die DE 38 21 431 beschreibt einen K2Fe2203 enthaltenden Katalysator, der bei 900°C calciniert wird. Zur Herstellung werden aus- schließlich Eisenoxid und eine Kaliumverbindung eingesetzt. Das Calcinierprodukt wird anschließend gewaschen und filtriert, wobei das erhaltene Produkt lamellenförmige Plätten mit einem Druch- messer von 0,5 bis 5 μm sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Katalysator mit verbesser- terer Aktivität und Selektivität bei der Dehydrierung von Ethylbenzol zu Styrol bereitzustellen. Der Katalysator sollte außerdem eine hohe mechanische und chemische Stabilität und eine gute Lagerstabilität besitzen.
Demgemäß wurde ein Katalysator, enthaltend Eisenoxid, Kaliumoxid, eine Magnesitimverbindung und eine Cerverbindung, gefunden, wobei der Katalysator eine oder mehrere Fe/K-Phasen K20*Fe203 l:n, mit einer natürlichen Zahl n von 1 bis 11, insbesondere eine der Phasen K20-Fe203 1:4 (K2Fe80ι3), K2OFe203 1:5 (K2Feι0Oι6) und/oder K20-Fe203 1:11 (κ2Fe2203 ) aufweist. Zu den gegenüber den bekannten Katalysatoren besonderen Struktureigenschaften zählen große Porendurchmesser bei hoher mechanischer Stabilität, eine hohe innere Oberfläche, ein geringes Litergewicht und die deutliche Ausbildung von röntgenographisch erfaßbaren Fe/K-Phasen K20-Fe203 1:4 und/oder K20-Fe203 1:11. Die besten bisher bekannten, magnesiumhaltigen Katalysatoren enthalten aufgrund der niedrigeren Calciniertemperatur mit Ausnahme von geringen Mengen κ2Fe204 keine Fe/K-Phasen, sondern nur Fe203 (Hämatit) als Eisenbestandteil. Die Fe/K-Phasen K20-Fe203 1:4 und K20-Fe203 1:11 bilden sich offenbar erst ab 750°C.
Die Fe/K-Phasen können röntgenographisch bestimmt werden. Die Netzebenabstände und relativen Intensitäten der Fe/K-Phasen K2O.Fe203 1:5 (K2Feι0Oi6) und/oder K2O.Fe203 1:11 (K2Fe22034) sind in Tabelle 3 zusammengefaßt. Aufgrund der Einlagerung von Magnesium, Cer und gegebenenfalls weiterer Promotor- und Zusatzmetallen in die Fe/K-Phasen, können die Reflexe geringfügig gegenüber den reinen Fe/K-Phasen verschoben sein.
Bevorzugte erfindungsgemäße Katalysatoren weisen Reflexe für Netzebenenabstände in folgenden Bereichen auf:
Netzebenenabstand d(Ä) +/-
1. Reflex 11,7 0,5
2. Reflex 5,8 0,5
3. Reflex 2,97 0,1
4. Reflex 2, 82 0,1
5. Reflex 2, 65 0,05
6. Reflex 2, 56 0,05
7. Reflex 2,45 0,05
8. Reflex 2,37 0,05
9. Reflex 2,26 0,05
10. Reflex 2,15 0,05
11. Reflex 1, 69 0,02
12. Reflex 1,65 0,02 13. Reflex 1,48 0,02
Besonders bevorzugte Katalysatoren weisen einen 1. Reflex im Bereich von 11,70 Ä bis 11,90 Ä, insbesondere 11,74 Ä bis 11,87 Ä und einen zweiten Reflex bei 5,85 Ä bis 5,95 Ä, insbesondere 5,89 Ä bis 5, 93 Ä auf. 3
Bevorzugte Katalysatoren enthalten 50-90 Gew.-% Eisen, berechnet als Fe203, 1 bis 40 Gew.-% Kalium, berechnet als K0, 5 bis 20 Gew.-% Cer, berechnet als Ce203 und 0,1 bis 10 Gew.-% Magnesium, berechnet als MgO.
Weiterhin kann der Katalysator außer Magnesium und Cer ein oder mehrere weitere üblichen Promotoren zur Steigerung von Selektivität, Aktivität oder Stabilität in üblichen Konzentrationen enthalten. Als Promotoren eignen sich Verbindungen von Elementen ausgewählt aus der Gruppe Be, Ca, Sr, Ba, Sc, Ti, Zr, Hf, V, Ta, Mo, W, Mn, Tc, Re, Ru, Os , Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, AI, Ga, In, TI, Ge, Sn, Pb, Bi, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu, die einzeln oder in Mischungen verwendet werden können. Bevorzugte zusätzliche Promotoren sind Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe Ca, V, Cr, Mo, W, Ti, Mn, Co und AI. Besonders bevorzugte zusätzliche Promotoren sind Ca, V, Cr, Mo und W. Die zusätzlichen Promotoren werden bevorzugt in Mengen von jeweils 0 bis 15, insbesondere 1 bis 10 Gew.-%, berechnet als stabilste Oxide, zugesetzt.
Kalium kann teilweise oder vollständig durch äquivalente Mengen anderer Alkalimetalle ersetzt werden z.B. Cäsium oder Natrium.
Bevorzugt enthält der erfindungsgemäße Katalysator Eisen, Kalium, Cer und Magnesium und als weitere Elemente Wolfram, Molybdän und Calcium. Günstig sind ferner Katalysatoren, die Vanadium enthalten.
Der Zusatz von Vanadium erhöht die Selektivität der Katalysatoren weiter. Deshalb ist der Zusatz von Vanadium (0,1-10 Gew.-%) sehr von Vorteil.
Elemente wie Cr, AI, Ti, Co, Li, Zn sind in den erfindungsgemäßen Katalysatoren in der Regel in untergeordneter Menge enthalten, z.B. 0 bis 2, insbesondere 0 bis 1 Gew.-%, jeweils als Oxid.
Bevorzugt enthalten die Katalysatoren jedoch kein Chrom.
Beispielsweise enthält ein erfindungsgemäßer Katalysator im ge- brauchsfertigen Zustand:
50-90, insbesondere 60-80 Gew.-% Eisen, berechnet als Fe203;
1-40, insbesondere 5-15 Gew.-% Kalium, berechnet als K20;
5-20, insbesondere 6-15 Gew.-% Cer, berechnet als Ce203 0,1-10, insbesondere 1- 5 Gew.-% Magnesium, berechnet als MgO;
0-10, insbesondere 0,1- 4 Gew.-% Calcium, berechnet als CaO;
0-10, insbesondere 0- 5 Gew.-% Wolfram, berechnet als W03; 4
0-10, insbesondere 0- 5 Gew.-% Molybdän, berechnet als Mo03;
0-10, insbesondere 0,1- 4 Gew.-% Vanadium, berechnet als V205, mit der Maßgabe, daß wenigstens 0,1 Gew.-%, insbesondere 1 Gew.-%, Wolfram oder Molybdän vorhanden sind.
Als Kaliumverbindung wird bevorzugt Kaliumcarbonat, Kaliumhydro- xid oder eine andere in der Wärme zersetzbare Kaliumverbindung wie Kaliumoxalat verwendet. Man kann auch eine Kaliumverbindung verwenden, die den vorgesehenen Promotor (d.h. als entsprechendes Anion oder als Doppelsalz) enthält.
Als Vanadiumverbindung werden bevorzugt V05, Ammoniumvanadat oder Alkalimetallvanadate verwendet.
Als Magnesiumverbindung wird bevorzugt Mg(0H)2, MgO, MgC03 oder Magnesiumhydroxycarbonat eingesetz .
Als Cerverbindung wird bevorzugt Ce203, Ceroxalat oder Cercarbonat verwendet.
Als Molybdänverbindung wird bevorzugt Mo03, H2Mo04 oder Ammonium- molybdat verwendet.
Als Wolframverbindung wird bevorzugt W03, H2W04 oder Ammoniumwol- framit verwendet.
Als Aluminiumverbindung wird bevorzugt AlOOH oder Al203 verwendet.
Als Calciumverbindung wird bevorzugt CaO, CaC03 oder Ca(0H)2 verwendet.
Der erfindungsgemäße Katalysator wird überwiegend aus -Fe203 anstelle des in EP-A-0195252 bevorzugt verwendeten FeOOH hergestellt und enthält eine gegenüber der dort angegebenen Empfehlung von 3-6 Gew.-% Ce203 erhöhte Cermenge von bis zu 20 %, berechnet als Ce203. Die in den neuen Katalysatoren verwendete erhöhte Cermenge führt zu einer Verbesserung der Aktivität und der Langzeitstabilität .
Bevorzugt sind Katalysatoren, die unter Verwendung von α-Fe203 (Hämatit) einer Partikelgröße von über 0,3 μ erhalten wurden und Porendurchmesser entsprechender Größe aufweisen. Bevorzugt weisen die Katalysatoren einen mittleren Porendurchmesser von über 0,35 μ , insbesondere über 0,40 μ , auf. Reines Eisenoxidhydroxid (FeOOH) eignet sich weniger für die Katalysatorherstellung. Untersuchungen an entsprechenden Vergleichskatalysatoren zeigen, 5 daß diese weder die gewünschten großen Porendurchmesser noch eine befriedigende mechanische Stabilität aufweisen.
Statt reinem α-Fe203 (Hämatit) können jedoch Mischungen von -Fe203 und α-FeOOH (Goethit) als Eisenkomponente eingesetzt werden, sofern wenigstens 50 Gew.-% α-Fe203 bei der Herstellung verwendet werden. Bevorzugt sind Mischungen von 60 bis 90 Gew.-% α-Fe203 und 10 bis 40 Gew.-% α-FeOOH. Ein aus einer Mischung von z.B. 70 Gew.-% Fe203 und 30 Gew.-% FeOOH nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Katalysator hat zwar im Durchschnitt etwas kleinere Porenradien und eine geringfügig geringere mechanische Stabilität, dafür jedoch eine deutlich höhere innere Oberfläche als der nur aus Fe203 hergestellte Katalysator. Die Folge ist eine weitere Verbesserung der Aktivität.
Die Herstellung folgt im Prinzip dem in der EP A 0 195 252 Verfahren, jedoch wird bei deutlich höheren Temperaturen calciniert. Die Verbesserung der neuen Katalysatoren gegenüber diesen bekannten und den sonst beschriebenen Katalysatoren beruht offenbar darauf, daß neben der Verwendung einer bestimmten Eisenmodifikation, Magnesium und einer höheren Cermenge bei sonst vergleichbarem Verfahren bei Temperaturen von über 750°C, bevorzugt bei Temperaturen im Bereich von 760 bis 1000°C, insbesondere 800 bis 900°C, calciniert wird. Die höhere Calciniertemperatur führt zusammen mit der höheren Cermenge und dem Gehalt an Magnesium zu neuen ungewöhnlichen Eigenschaf en der Katalysatoren und gleichzeitig zu einer deutlichen Verbesserung von Aktivität und Selektivität. Es wurde gefunden, daß dieser Katalysator schon bei niedrigen Dampf/EB-Verhältnissen (bis D/EB = 1,0 kg/kg) eine her- vorragende Leistungsfähigkeit und Langzeitstabilität bei guter mechanischer Stabilität besitzt. Er hat also auch wegen des geringeren Energieverbrauchs des damit betriebenen Verfahrens wirtschaftliche Vorteile gegenüber den bekannten Katalysatoren. Aber auch bei den gegenwärtig üblichen höheren Dampf/EB-Verhältnissen von 1,1-1,5 kg/kg erreicht der neue Katalysator eine bessere Leistung.
Die Erfindung betrifft auch das Verfahren zur Dehydrierung alkyl- aromatischer oder aliphatischer Kohlenwasserstoffe zu ent- sprechenden Alkenen unter Verwendung der erfindungsgemäßen Katalysatoren.
Besonders bevorzugt ist die Dehydrierung von Ethylbenzol zu Styrol. Die Katalysatoren können aber vorteilhaft auch für die Dehydrierung von 1, 1-Diphenylethan (DPEA) zu 1, 1-Diphenylethen (DPE) eingesetzt werden. DPE ist als Rohstoff für Styrolcopoly- mere mit erhöhter Temperaturbeständigkeit gesucht. 6
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Katalysatoren ist im einzelnen das Folgende zu sagen:
Mischen der Einsatzstoffe und Herstellung einer verformbaren Masse
Wichtig ist eine innige Durchmischung der Einsatzstoffe. Diese kann einfach durch trockene Mischung oder durch Suspendierung der Einsatzstoffe in Wasser und Sprühtrocknung der gebildeten Maische hergestellt werden. Bei allen Mischvorgängen ist es von Vorteil alle Bestandteile mit Ausnahme des Eisenoxids in möglichst feingepulverter Form vorzulegen. Aus den Mischungen erhält man nach Wasserzugabe durch Kneten eine verformbare Masse. Die Verformung zu Tabletten kann dagegen mit einer trockenen Mischung der Be- standteile durchgeführt werden.
Herstellung von Formkörpern
Formkörper lassen sich außer durch Extrusion oder Verstrangung auch durch Tablettierung des trockenen Sprühpulvers oder eines Gemisches in einer Tablettenpresse herstellen. In diesem Fall kann es von Nutzen sein, Tablettierungshilfsmittel (z.B. Graphit, verschiedene Stearate) zum Tablettiergut zuzusetzen. Als Formkörper kommen Stränge unterschiedlicher Geometrie in Frage, bevorzugt Vollstränge mit einem Durchmesser von z.B. 3-6 mm.
Ebenso geeignet sind z.B. Hohlstränge oder sog. Rib- oder Sternstränge (d.h. Stränge mit äußeren Längsrillen oder rippen bzw. sternförmigem Querschnitt) oder Ringtabletten mit Innenloch. Die Verformbarkeit kann mit Hilfsmitteln wie Stearaten, Walocel, Stärke oder ähnlichem beeinflußt werden.
Trocknung
Die Trocknung kann kontinuierlich oder diskontinuierlich durchge- führt werden. Für die kontinuierliche Trocknung kommen Bandtrockner, für die diskontinuierliche Trocknung Hordenöfen in Frage. Im technischen Maßstab sind die für großtechnische Trockenverfahren geeigneten Anlagen verwendbar wie Bandtrockner oder Hordenöfen. Übliche Trocknungstemperaturen sind 80-140°C. Höhere Trocknungs- temperaturen können aufgrund einer zu hohen Trocknungsgeschwindigkeit zu einem unerwünschten Aufplatzen der Formkörper führen. Niedrigere Trocknungstemperaturen sind möglich, verlängern aber die Trocknungszei . 7
Temperung; Calcinierung
Nach dem Trocknen werden die Formkörper zuerst für ca. 2 h auf 250-350°C ("Temperung"), dann für 1-2 h auf 750-1000°C erhitzt ("Calcinierung"). Bei der Herstellung in technischem Maßstab kann das Tempern und Calcinieren in einem Arbeitsgang z.B. in einem Drehrohr mit unterschiedlichen Heizzonen durchgeführt werden. Die Temperatur wird dann schrittweise von z.B. 250 auf 800-900°C erhöht. Nach dem Austritt aus dem Drehrohr läßt man die Formkörper abkühlen. Bruchstücke und Feinstaub werden durch Siebung abgetrennt und verworfen.
Herstellbeispiele; Vergleichsversuche
(Zusammensetzung und Eigenschaften zusammengefaßt in den nachstehenden Tabellen) .
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Katalysators gemäß Beispiel 1 wurde verfahren, wie nachstehend beschrieben. Die Katalysatoren der übrigen Beispiele wurden unter entsprechender Änderung der Mengenverhältnisse auf analoge Weise erhalten.
900 g -Fe203, das in Form von Nadeln mit einer Länge von 0,4 μm und einem Verhältnis "Länge/Breite" von ca. 5 vorlag, wurden unter Rühren zu einer Suspension gegeben, die außerdem 200 g K2C03, 200 g wasserhaltiges Cercarbonat (Zusammensetzung der Formel Ce2 (C03)3-xH20 mit einem Cergehalt von 40 Gew.-%), 40 g CaC03, 40 g W03 und 60 g basisches Magnesiumcarbonat (Zusammensetzung der Formel 4MgC03-Mg(OH) 2-4H20 entsprechend 50 g MgC03) in 2000 ml Wasser enthielt. Die Suspension wurde sprühgetrocknet. Das Sprühpulver wurde in einem Kneter unter Zugabe von ca. 120 ml Wasser innerhalb von 30 Minuten zu einer pastosen Masse verarbeitet. Es war nicht notwendig, die Verformbarkeit mit Hilfsmitteln zu beeinflussen. Die Masse wurde in einer Strangpresse zu zylindrischen Vollsträngen von 3 mm Durchmesser geformt, in ca. 1 cm lange Stücke geschnitten, in einem Umluftofen bei 100°C ca. 3 Stunden getrocknet und in einem Calcinierofen erst 2 Stunden bei 300°C getempert und dann bei 760°C calciniert.
Bei Beispiel 8 und den Vergleichsversuchen VI und V2 wurde Fe203 teilweise oder vollständig durch die entsprechende Menge α-FeOOH (nadeiförmiges Eisenoxidgelb mit einer Nadellänge von ca. 0,6 μm und einem Längen/Durchmesser-Verhältnis von ca. 6) substituiert. Sobald das Eisenoxid zugegeben war, wurde weiteres starkes Rühren oder Kneten (starker Krafteintrag) vermieden, da er zu einer Zer- 8 kleinerung der Eisenoxidpartikel führen kann und damit die Eigenschaften des Katalysators verschlechtert.
Tabelle 1 Zusammensetzung erfindungsgemäßer Katalysatoren in Gewichtsteilen (bei der Herstellung eingesetzte Mengen der Bestandteile in [dg] )
Beispiel 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Fe203 90 90 90 90 90 90 90 63 90
FeOOH - - - - - - - 30
K2C03 20 20 20 20 20 20 20 20 16,6
Ce2(C03)3-xH20 20 20 20 20 10 20 20 20 20 CaC03 4 4 4 4 4 4 4 4 4,6
W03 4 4 4 4 4 - 4 4
Mo03 - - - - - 2,5 - - 2,9
4MgC03-Mg(OH)2-4H20 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 6,1 V205 - - - - - - 1,5 - caic [°C] 760 800 850 900 850 850 850 850 875
Tabelle 2
Zusammensetzung der Vergleichsversuche VI bis V4 (Mengenangaben wie vorstehend)
Vergleich VI V2 V3 V4
FeOOH 100 100 - - Fe203 - - 90 90
K2C03 20 20 20 20
Ce2(C03)3-xH20 10 20 20 20
CaC03 4 4 4 4
W03 4 4 4 4
4MgC03-Mg(0H)2-4H20 - 5,0 - 5,0 V205 - TCaio [°C] 850 850 850 700 Tabelle 3 : XRD-Daten für die reinen Fe/K-Phasen K2FeιoOιe und K2Fe22034 und die Katalysatoren aus den Beispielen 2 bis 7 I
Beispiel 2 Beispiel 3 Beispiel 4 Beispiel 5 Beispiel 6 Beispiel 7 K2Feι0Oi6 K2Fc22θ34
d (A) I (rel) d (A) I (rel) d (A) I (rel) d (A) I (rel) d (A) I (rel) d (A) I (rel) d (A) I (rel) d (A) I (rel) l. Reflex 11,74681 46,4 11,74126 46,7 11,79432 47,1 11,80807 53,6 11,75676 52,3 11,86811 48,6 12,01173 100 11,90698 100,0
2. Reflex 5,90203 64,8 5,89902 62,8 5,90529 59,6 5,91664 66,1 5,91687 69,5 5,92583 62,0 5,99707 45 5,95349 40
4,47162 10 4,70805 20 4,30252 12
3. Reflex 2,97251 60,5 2,97214 64,5 2,97420 69,1 2,97872 63,2 2,97621 67,0 2,98083 66,7 2,99197 10 2,97458 60 u> 2,96597 25 2,95740 60 2,94253 25
4. Reflex 2,82464 84,4 2,82720 88,5 2,82748 84,5 2,82819 95,0 2,82979 82,3 2,83556 91,9 2,75639 35 2,83264 85
5. Reflex 2,65730 91,3 2,65889 92,9 2,66031 84,8 2,66518 91,5 2,65877 98,4 2,66364 85,4 2,65629 35 2,64942 70
6. Reflex 2,56214 89,0 2,56449 93,9 2,56718 87,5 2,56957 93,4 2,56442 89,8 2,56837 91,9 2,56160 25 2,57125 35 2,56160 35 2,54726 70
7. Reflex 2,45326 43,8 2,45054 47,8 2,45586 42,7 2,45314 43,4 2,45204 45,8 2,45362 46,6 2,47045 15 2,43810 35
8. Reflex 2,37752 62,3 2,37919 64,0 2,37933 61,8 2,37994 65,9 2,37895 61,0 2,38152 61,5 2,38001 20 2,37863 50 o
H 2,37037 50
o\
NO NO
Beispiel 2 Beispiel 3 Beispiel 4 Beispiel 5 Beispiel 6 Beispiel 7 K2Feιo016 K2Fe22θ3
NO Vβ OS
9. Reflex 2,26616 46,1 2,26743 46,0 2,26836 41,0 2,26851 41,0 2,26093 36,0 2,27073 41,8 2,29468 10 2,25551 30
10. Reflex 2,15728 39,4 2,16120 38,3 2,16302 35,3 2,16127 38,6 2,15817 36,2 2,16113 45,6 2,08980 20 2,15806 35 2,15239 35
2,04595 18
11. Reflex 1,69149 76,5 1,69087 61,9 1,69140 59,0 1,69169 60,7 1,69207 56,8 1,69266 62,0 1,70880 10 1,68283 40
12. Reflex 1,65273 51,9 1,65157 51,8 1,65262 49,8 1,65484 49,2 1,65163 45,5 1,65439 49,7 1,66911 10 1,65295 18 1,64696 18 1,64168 18
1,56875 14
H
13. Reflex 1,48958 100,0 1,48998 100,0 1,48968 100,0 1,49211 100,0 1,49000 100,0 1,49163 100,0 1,48298 20 1,48783 30 O
1,47074 15 1,47923 55
Gemessen auf Pulverdiffraktometer D-5000 der Fa. AXS-GmbH; Messung in Reflexion in Bragg-Brentano- Geometrie; d (A) = Netzebenenabstand; I (rel) = relative Intensität; Daten zu K2Fe22034 aus: TJBCAD, volume 72, page 49, (1973) primary reference: Dyson, D., Johnson; Daten zu K2Fe10Oi6 aus ACSBA7, volume 66, page 1250, (1987) primary reference: Nariki, S., Ito, S., Yoneda, N.
f_ H O NO
©
O*-N.
11
Leistungstests
Die Katalysatoren werden in einer Versuchseinrichtung getestet, 5 die dem technisch betriebenen isothermen Verfahren nachgebildet ist. Dazu werden 200 ml Vollstrang-Katalysator in ein Reaktionsrohr mit 30 mm Innendurchmesser gefüllt. Zunächst wird während 10 Tagen eine stündliche Menge von 183 ml Wasser und 168 ml Ethyl- benzol in Dampfform übergeleitet. Die Katalysatortemperatur 0 wird auf 600°C eingestellt. Nach 10 Tagen werden Umsatz (U) , Selektivität (S) und Zusammensetzung des Reaktionsgemisches ermittelt, indem die Reaktionsprodukte (Flüssigkeit und Abgas) untersucht werden.
15 Erläuterung der Tabellen:
Die erfindungsgemäßen Katalysatoren 1-8 liefern bei gleicher Temperatur durchweg höhere Umsätze als die Vergleichskatalysatoren VI und V3. Damit hat der Einsatz dieser Katalysatoren an
20 Stelle der Vergleichskatalysatoren den Vorteil, daß Energiekosten eingespart werden können (Reaktor, destillative Aufarbeitung) . Vergleichskatalysator V2 erzielt bei gleicher Temperatur zwar vergleichbare Umsätze wie die erfindungsgemäßen Katalysatoren. Allerdings ist die Schnitthärte und damit auch die mechanische
25 Stabilität zu gering, um ihn großtechnisch einsetzen zu können. Katalysator V4 hat dagegen sowohl bei der Aktivität (geringere Umsätze bei gleicher Temperatur) als auch bei der Selektivität Nachteile gegenüber den erfindungsgemäßen Katalysatoren.
30 Tabelle 4
Eigenschaften und der erfindungsgemäßen Katalysatoren
Beispiel 1 2 3 4 5 6 7 8 9
35 Schnitthärte [N] 46 40 52 51 70 55 40 38 75
BET-Oberflache 2,0 2,4 2,4 3,5 2,6 2,7 2,3 3,9 2,6 [m2/g]
Porenvolumen 0,24 0,26 0,26 0,25 0,25 0,24 0,25 0,28 0,23 [ml/g]
40 mittlerer Poren0,46 0,45 0,47 0,46 0,43 0,45 0,42 0,32 0,38 durchmesser [μm]
U600°C 50,6 50,8 50,8 49,3 47,3 50,3 48,6 52,3 50, 8 Λ C S600°C 95,4 96,0 96,4 96,5 96,6 96,5 97,0 96,2 96,4 12
Tabelle 5
Eigenschaften und Leistung der Vergleichskatalysatoren
Vergleich VI V2 V3 V4
Schnitthärte [N] 35 17 60 68 BET-Oberflache [m2/g] 3,2 6,7 2,6 2,0
10 Porenvolumen [ml/g] 0,25 0,32 0,23 0,22 mittlerer Porendurchmesser [μm] 0,24 0,21 0,20 0,38
U600°C 44, 1 49,3 46,2 47,2
15 S6oo°c 96,8 96,2 96,7 95,0
Die Porenvolumen wurden nach DIN-Norm 66133 bestimmt.
Der Kontaktwinkel des Quecksilbers bei der Bestimmung des 20 mittleren Porendurchmessers betrug 140° (DIN 66133).
Zur Bestimmung der Schnitthärte wurde mit einer Schneide von 0,3 mm eine zunehmende Belastung auf das Extrudat ausgeübt, bis dieses zerschnitten war (Gerät der Fa. Zwick (Ulm) . Aus 25 25 Strängen wurde der Mittelwert gebildet.
30
35
40
45

Claims

13Patentansprüche
1. Katalysator, enthaltend Eisenoxid, Kaliumoxid, eine Magnesiumverbindung und eine Cerverbindung, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator eine oder mehrere Fe/K-Phasen K20-Fe203 l:n, mit einer natürlichen Zahl n von 1 bis 11, aufweist.
2. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator einen mittleren Porendurchmesser von über 0,35 μm aufweist.
3. Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator
50-90 Gew.-% Eisen, berechnet als Fe203, 1-40 Gew.-% Kalium, berechnet als K20, 5-20 Gew.-% Cer, berechnet als Ce203 und 0,1-10 Gew.-% Magnesium, berechnet als MgO, enthält.
4. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator bei einer Temperatur von über 750°C calciniert wurde.
5. Katalysator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator bei einer Temperatur im Bereich von 800 bis 900°C calciniert wurde.
6. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Katalysators wenigstens 50 Gew.-% α-Fe203, bezogen auf die eingesetzten Eisenverbindungen, verwendet wurden.
7. Katalysator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Katalysators ein α-Fe203 mit einer mittleren längsten Teilchenausdehnung von über 0,3 μm verwendet wurde.
8. Katalysator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Katalysators als Eisenverbindung eine Mischung aus 60-90 Gew.-% α-Fe203 und 10-40 Gew.-% α-FeOOH verwendet wurde. 14
9. Verfahren zur Herstellung eines Katalysators gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man aus α-Fe203 mit einer mittleren längsten Teilchenausdehnung von über 0,3 μm, einer Kaliumverbindung, einer Magnesium- Verbindung, einer Cerverbindung und gegebenenfalls weiteren Katalysatorkomponenten einen Katalysatorformkörper herstellt und bei Temperaturen über 750°C calciniert.
10. Verfahren zur Dehydrierung von Ethylbenzol zu Styrol, dadurch gekennzeichnet, daß man die Dehydrierung in Gegenwart eines
Katalysators nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchführt.
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